ПРОТОЧНЫЙ ФИЛЬТР Российский патент 2005 года по МПК B01D29/11 

Изобретение относится к водоподготовке и может быть использовано для получения больших объемов очищенной воды, предназначенной для питья, приготовления пищи, для использования в медицинских целях и т.п. областях жизнедеятельности человека.

Значительная часть известных устройств, предназначенных для фильтрации жидкостей, в том числе воды, основана на принципе пропускания очищаемой воды под давлением через пористую фильтрующую поверхность с образованием на фильтрующей поверхности осадка. Последний создает основное сопротивление фильтрации, требует периодического удаления и, в конечном счете, приводит к снижению производительности фильтров, а нередко и к снижению качества получаемой воды. Необходимо отметить, что многие известные из уровня техники решения направлены на интенсификацию указанного процесса фильтрации за счет введения дополнительных элементов, позволяющих снимать осадок, не останавливая процесса или в значительной мере упрощающих очистку фильтрующей поверхности.

Так, согласно патенту РФ №2085252, B 01 D 27/00, 29/11, 27.05.93, известен фильтр, включающий корпус с патрубками ввода и вывода жидкости, фильтрующий элемент, выполненный в виде перфорированного цилиндра, размещенного на оси корпуса, и механизм очистки фильтрующего элемента, выполненный в виде установленных на корпусе фильтра генератора механических колебаний и электромагнитных катушек, соединенных между собой электрической цепью, при этом фильтрующий элемент закреплен на перфорированном сердечнике, который соединен электрической цепью с фазой источника переменного тока.

Согласно патенту РФ №2085251, В 01 D 25/38, 29/62, 24.03.95, фильтр-камера для жидкостей содержит механизмы очистки фильтрующей поверхности, выполненные в виде кольцевых скребков.

Согласно DE 4222495, B 01 D 29/68, опубл. 13.01.94, жидкостной фильтр содержит фильтровальный элемент с радиальным сквозным потоком. Фильтровальный элемент выполнен с возможностью вращения вокруг своей оси. Фильтр снабжен устройством обратной промывки с каналом для отвода грязи, размещенным параллельно оси фильтровального элемента в корпусе фильтра. Перед устройством обратной промывки установлен скребок на пружинной опоре, предназначенный для предварительной очистки фильтровального элемента и для удаления грязи с поверхности указанного элемента.

Принципиально отличается от приведенных выше решений изобретение, раскрытое в а.с. СССР №142626 от 20.02.1959, и основанное на принципе фильтрации пульпы без образования слоя осадка на фильтрующей поверхности. Указанное изобретение реализовано в устройстве, содержащем цилиндрический корпус и коаксиально размещенный в нем трубчатый металлокерамический фильтрующий элемент. Пульпу подают по кольцевому пространству непрерывным потоком вдоль фильтрующего элемента под избыточным давлением со скоростью не менее 0.5 м/с. По мере прохождения пульпы в проточном фильтре она сгущается, а конечный сгущенный продукт под давлением выходит из аппарата с концентрацией, соответствующей отношению Ж:Т≈0.5÷0.8. Изобретение по а.с. СССР №142626 является наиболее близким по технической сущности заявляемому и выбрано в качестве прототипа.

Известное устройство предназначено для фильтрации пульпы и не обеспечивает получения очищенной воды, соответствующей требованиям отечественных нормативных документов - ГОСТ 2874-82, Санитарных правил и норм 2.1.4.559-96 и др., основанных на рекомендациях Всемирной Организации Здравоохранения, в соответствии с которыми: концентрация железа в воде не должна превышать 0.3 мг/л, марганца 0.1 мг/мл, фтора 0.1 мг/мл, сероводорода 0.05 мг/л.

Задачей заявляемого изобретения является создание проточного фильтра высокой производительности, обеспечивающего получение больших объемов очищенной воды, соответствующей требованиям действующих нормативных документов, пригодной для широкого применения - в садоводствах, сельской местности (например, на фермах), при производстве косметики, в пищевой промышленности и др. областях деятельности человека.

Технический результат достигается за счет того, что в проточном фильтре, включающем цилиндрический корпус и установленный в нем коаксиально с зазором пористый фильтрующий элемент, последний выполнен из материала пространственно-глобулярной структуры (ПГС).

Для обеспечения высокой производительности с получением больших объемов очищенной воды в течение продолжительного времени фильтрующий элемент установлен с зазором, обеспечивающим движение фильтруемой воды в нем со скоростью 0.03-0.5 м/с.

Фильтрующий элемент может быть выполнен как в виде одного, так и нескольких съемных фильтрующих модулей, установленных последовательно один за другим по направлению движения воды. Каждый из модулей представляет собой полый цилиндр, выполненный из ПГС материала. Число модулей выбирается, исходя из требуемой производительности устройства.

ПГС материал является ПГС-полимером и представляет собой неплавкое и нерастворимое в обычных растворителях высокопроницаемое изделие, структура которого образована микроглобулами размером от 25-30 до 10-14 мкм. ПГС материал с глобулами размером 3-7 мкм используют для сорбционных процессов при высоких скоростях пропускания растворов. Так как размер микроглобул ионита ПГС на 2 порядка меньше, чем у ионитов стандартного зернения (5-7 мкм против 0.5-0.7 мм), то объемные скорости пропускания растворов могут достигать величин в 100 и более раз превышающих скорости пропускания растворов через неподвижный слой ионита обычного зернения (1000-2000 против 10-15 уд. об/ч соответственно). Микроглобулы в ионите ПГС образуют регулярную высокопроницаемую структуру, что обусловлено спонтанным саморегулирующимся механизмом полимерообразования. Средний размер пор составляет 3-5 мкм, большая развернутая поверхность (до 500-600 м/г), узкий диапазон распределения пор по размерам (обычно ±10%) придают этим материалам высокие технологические свойства и позволяют использовать их в качестве фильтрующих перегородок. Структура и свойства ионита ПГС известны, например, из Энциклопедии полимеров, М.: Советская Энциклопедия, 1972, с.652-658. Различные модификации способа получения ПГС материала позволяют значительно расширить диапазон размеров его пор и тем самым повысить проницаемость сорбента.

В такой системе практически все обменные группировки находятся на поверхности микропор; массообмен достигается не за счет диффузии ионов из раствора вглубь полимерного тела (как это имеет место в обычных ионитах, в том числе и макропористых), а за счет принудительного просачивания растворов через микропоры полимерного тела. Скорость обмена подчиняется закономерностям пленочной кинетики и поэтому ионный обмен на ПГС-ионитах протекает тем эффективнее, чем быстрее обновляется раствор в микропорах, т.е. скорость обмена возрастает с повышением скорости пропускания раствора.

Указанные выше соотношения обеспечивают работу материала ПГС фильтра не только в качестве сорбента, но и в качестве механического фильтра, поры которого пропускают очищенную воду во внутреннюю полость фильтрующего элемента. Необходимо отметить, что результаты испытаний нового фильтра (представленные ниже) показывают, что в настоящем изобретении ПГС-структура проявляет новые свойства - при пропускании водного раствора вдоль поверхности фильтрующего элемента имеют место не только обменные процессы в пленке, но и диффузионные в толще материала, позволяющие достигнуть наиболее полной очистки, а также более сложные процессы, которые на данном этапе исследования объяснения еще не нашли. Такое предположение основано на том, что динамическая сорбционная емкость ПГС-материала должна достигнуть насыщения (значения ~1-1.5 мг/г сорбента) в условиях работы заявляемого фильтра, например, при очистке воды, содержащей Fe⁺² в количестве 10 мг/л, примерно через 20 мин. В реальных же условиях после исчерпания ионнообменной емкости очистка по двухвалентному железу составляет 60-80% и остается постоянной на протяжении всего фильтроцикла, а фильтр работает неограниченное время, вплоть до механического разрушения без необратимого забивания (кольматации), т.е. с получением незатухающей циклограммы.

Изобретение поясняется графическими материалами, где на Фиг.1 представлен общий вид устройства в разрезе, а на Фиг.2 представлена схема проточной фильтрации с использованием заявляемого проточного фильтра. Позиции означают следующее: 1 - корпус фильтра, 2 - крышка фильтра, 3 - фильтрующий элемент, выполненный из материала ПГС, 4 - заглушка, 5 - зазор между наружной поверхностью стенки фильтрующего элемента 3 и внутренней поверхностью стенки корпуса 1, 6 - емкость оборотной воды, подводимой в зазор 5, 7 - средство подвода в зазор 5 оборотной воды 8 - средство подвода воздуха для продувки фильтра, 9 - средство сброса осадка от продувки, 10 - средство отвода воды в емкость оборотной воды 6 или в емкость 9, 11 - сборник фильтрата, 12 - средство подвода исходной воды в емкость 6. Работает заявляемое устройство следующим образом. Работа установки производится в автоматическом режиме. Воду подают в зазор 5 под давлением с достижением скорости ее движения в зазоре 5, равной 0.03-0.5 м/с. При такой скорости движения часть потока, перемещающаяся вдоль наружной стенки элемента 3, подвергается очистке за счет ионного обмена, происходящего в поверхностном слое материала ПГС элемента 3, подвергается дополнительной очистке в толще ПГС материала, просачивается через поры элемента 3 и отводится через крышку 2. На поверхности элемента 3 при фильтрации образуется намывной слой гидроокиси железа Fе(ОН)₃, часть которой накапливается в порах, а часть удаляется при продувке воздухом.

Часть воды, прошедшей через фильтр, с помощью 3-ходового клапана 10 возвращается в емкость 6, откуда вместе с новой порцией исходной воды, подаваемой в емкость 6 с помощью клапана 12, подается насосом 7 для очистки в фильтр. Для снятия осадка, образовавшегося на наружной поверхности стенки фильтрующего элемента 3 фильтр периодически продувают воздухом под давлением ~6 атм в течение 5-10 сек с помощью компрессора или линии сжатого воздуха 8 с одновременным прекращением подачи воды. Оптимум работы фильтрующего элемента 3 достигается при правильном выборе величины зазора 5, величина которого установлена авторами экспериментально. Для фильтрующего элемента (или модуля) с длиной, равной 250-252 мм, наружным диаметром - 70-75 мм, внутренним диаметром - 40-42 мм и элементов, с размерами, соизмеримыми с указанными, оптимальная величина зазора составляет 0.05-0.1 наружного диаметра фильтрующего элемента. Если зазор 5 менее 0.05 наружного диаметра фильтрующего элемента 3, то образовавшийся намывной слой и после продувки препятствует подаче воды в фильтр, при величине зазора 5 более 0.1 наружного диаметра фильтрующего элемента 3 значительная часть воды не успевает взаимодействовать с материалом ПГС при сохранении оптимальной производительности устройства.

Для реализации заявляемого устройства использовали фильтрующий элемент 3, изготовленный из полимера ПГС с порами размером 0.01-3 мкм, содержащего группировки β-резорциловой кислоты в количестве 2.4 мг·экв/г сухого вещества. Корпус устройства 1 выполнен из пропилена.

Заявляемое изобретение поясняется следующими примерами.

Пример 1.

На проточном фильтре с фильтрующим элементом 3, содержащим 4 съемных фильтрующих модуля, установленных последовательно один над другим так, что вместе они образуют герметичную полость в виде цилиндра, фильтровали воду с высоким содержанием железа. Продолжительность фильтроцикла 1.0 час с завершением продувкой сжатым воздухом в течение 10 с под давлением 6 Атм. Производительность по фильтрату 2-2.5 л/мин. Параметры исходной воды и фильтрата представлены в Таблице.

Пример 2.

Фильтрацию осуществляли в условиях Примера 1 со значительным увеличением производительности процесса, сокращением продолжительности фильтроцикла и условий продувки:

- производительность 12 л/мин

- продолжительность фильтроцикла 15 мин

- продувка сжатым воздухом в течение 5 с под 5.5 атм.

Параметры исходной воды и фильтрата представлены в Табл.

Пример 3.

Фильтрацию водопроводной воды осуществляли в садоводстве “Дунай” (пригород г. Санкт-Петербурга) в следующих условиях:

- производительность 1000 л/час

- продолжительность фильтроцикла 15 мин

- продувка сжатым воздухом в течение 10-15 с под давлением 6.0 атм. Для очистки использовали 4-корпусную фильтрационную установку (16 фильтрующих элементов ПГС структуры).

Параметры исходной воды и фильтрата представлены в Таблице.

Пример 4 для сравнения.

Фильтрацию водопроводной воды осуществляли на проточном фильтре, фильтрующий элемент которого изготовлен из пористого пропилена. Условия фильтрации:

- производительность 1000 л/час

- продолжительность фильтроцикла 15 мин

- продувка сжатым воздухом в течение 10-15 с под давлением 6.0 атм. Параметры исходной воды и фильтрата представлены в Таблице.

Анализы воды выполнялись в соответствии со следующей нормативной документацией:

ГОСТ 2874-82 Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством.

ГОСТ 3351-74 Вода питьевая. Методы определения вкуса, запаха, цветности и мутности.

ГОСТ 4011-72 Вода питьевая. Методы измерения массовой концентрации общего железа.

ГОСТ 4974-72 Вода питьевая. Методы определения содержания марганца.

Необходимо заметить высокую технологичность устройства - его основные элементы изготовлены из одного материала - материала ПГС.

Представленные данные свидетельствуют, что заявляемое устройство обеспечивает эффективную очистку воды с высокой производительностью и может быть рекомендовано для получения значительных объемов воды, например, в садоводствах, на фермах, при производстве пищевых продуктов, косметических изделий и т.п.

Изобретение относится к водоподготовке и может быть использовано для получения больших объемов очищенной воды, предназначенной для питья, приготовления пищи, для использования в медицинских целях и т.п. областях жизнедеятельности человека. Проточный фильтр включает цилиндрический корпус и установленный в нем коаксиально с зазором пористый фильтрующий элемент, который выполнен из материала пространственно-глобулярной структуры с порами размером 0,01-3 мкм, содержащего группировки β-резорциловой кислоты в количестве 2,4 мг·экв/г сухого вещества. Фильтрующий элемент установлен с зазором, обеспечивающим движение фильтруемой воды в нем со скоростью 0,03-0,5 м/с. Технический результат: обеспечение высокой производительности с получением больших объемов очищенной воды. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Проточный фильтр, включающий цилиндрический корпус и установленный в нем коаксиально с зазором полый пористый фильтрующий элемент, отличающийся тем, что последний выполнен из полимера пространственно-глобулярной структуры с порами размером 0,01-3 мкм, содержащего группировки β-резорциловой кислоты в количестве 2,4 мг·экв/г сухого вещества, и установлен с зазором, обеспечивающим движение фильтруемой воды в зазоре со скоростью 0,03-0,5 м/с.2. Проточный фильтр по п.1, отличающийся тем, что величина зазора составляет 0,05-0,1 наружного диаметра фильтрующего элемента.3. Проточный фильтр по п.1 или 2, отличающийся тем, что фильтрующий элемент выполнен в виде, по меньшей мере, двух съемных фильтрующих модулей, установленных последовательно один за другим по направлению движения воды.